CN115863488A - 一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法，包括：在氮化镓单晶衬底上外延生长轻掺n型氮化镓外延层，双面抛光后清洗，吹干；采用三温区管式炉在器件表面沉积p型二维材料层MoxRe1‑xS2，旋涂光刻胶，进行掩膜曝光图案，显影去胶后暴露图案部分的二维材料，将暴露的二维材料进行刻蚀暴露出紫外吸收层并形成台阶；在单晶衬底的底部蒸镀金属膜，形成电极后退火，形成底部电极；在器件顶部表面旋涂光刻胶进行紫外掩膜曝光图案，显影去胶，暴露出顶部方形电极图案，在表面蒸镀金属膜，掀金去胶后形成顶部电极。该方法降低了反向暗电流；促进了光生载流子分离，具有高整流比和高光开光比，实现紫外到可见光宽光谱范围的探测。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法。
背景技术
以氮化镓为代表的第三代半导体材料具有宽禁带、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，凭借其优越的性能和巨大的市场前景，已经成为全球半导体市场争夺的焦点。原子薄层的二维(2D)材料因其优异的力、热、光、电性质，特别是独特的范德华力堆叠，没有悬挂键和晶格失配的障碍，为创造新型原子尺度的范德华异质结构(vdWHs)提供了绝佳的平台。同时，范德华异质结兼具材料和结构的多样性，可以与零维(量子点)、一维(纳米线)、三维(体材料)在空间上堆叠，形成混维异质结构。2D/WBG混维范德华异质结集成了三维宽禁带功能材料(Eg>3eV)高频、高电子迁移率等优点和二维(2D)材料的无悬挂件表面和带隙可调等优良特性，在下一代功能性电子和光电器件方面表现出了巨大的潜力。
在已报道的vdWHs器件中，自供电光电二极管以基于光伏效应的无能量消耗为特征，因其很好地契合下一代光电子纳米器件的迫切需求而受到广泛关注。重要的是，与光电晶体管或光电导体相比，自供电vdWH光电二极管具有光伏能力和快速响应时间。
当前的vdWHs光电探测器由于缺乏增益，表面效应和缺陷较多、带隙单一，存在着低响应率和在窄光谱范围探测等问题，限制了极端条件下和多波段宽光谱探测的应用，很难在同时拥有快速响应和高灵敏度、宽光谱探测等方面取得平衡。
发明内容
本发明实施例提供一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法，包括：
在单晶衬底上外延生长轻掺n型氮化镓外延层，双面抛光后清洗，吹干；
采用三温区管式炉在器件表面沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2，旋涂光刻胶，进行掩膜曝光图案，显影去胶后暴露图案部分的二维材料，将暴露的二维材料进行刻蚀暴露出紫外吸收层并形成台阶；
在单晶衬底的底部蒸镀金属膜，形成电极后退火，形成底部电极；
在器件顶部表面旋涂光刻胶进行紫外掩膜曝光图案，显影去胶，暴露出顶部方形电极图案，在表面蒸镀金属膜，掀金去胶后形成顶部电极。
进一步地，对包含轻掺n型氮化镓外延层的衬底进行清洗，包括：
在乙醇中超声清至少10min，其超声频率为50～70KHz；
在丙酮中超声清洗至少10min，其超声频率为50～70KHz；
在异丙醇中超声清洗至少10min，其超声频率为50～70KHz；
在去离子水烧杯中冲洗多次，流水冲洗；
用氮气对其进行吹干。
进一步地，采用三温区管式炉沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2时的条件为：
使用前驱体为硫粉和ReO3,+0.003gMoO3，分别放置在第一、三温区，其中，第一温区最高温度为200-235℃，第三温区最高温度为650-850℃，通入氩气流量为100-120sccm。
进一步地，单晶衬底的厚度为200-300μm。
进一步地，在沉积轻掺n型氮化镓外延层时采用MOCVD或HVPE的方式外延生长，载流子浓度为5～8x1015cm-3，厚度约为10～15μm。
进一步地，p型二维材料层MoxRe1-xS2的厚度约为1-2nm。
进一步地，底部电极使用的金属材料为Ti/Al/Ni/Au。
进一步地，顶部电极使用的金属材料为Cr/Au、Ti/Al或Ti/Ni。
进一步地，p型二维材料为：Nb、Ta掺杂的MoS2、Nb、Ta、W掺杂的ReS2、V掺杂的WSe2、多层WSe2、ReSe2或Sb掺杂的ln2Se3。
进一步地，单晶衬底为重掺n型自支撑氮化镓单晶衬底或SiC衬底。
本发明实施例的有益效果是：2D/3D PN异质界面降低了反向漏电，垂直结构有效地减小了因表面效应和缺陷产生的光生载流子复合，拥有更低的暗电流；通过化学气相沉积掺杂的方式得到的弱p型二维材料，与轻掺n型氮化镓外延层形成结区，形成内建电场，Ⅱ型能带的交错排布促进了光生载流子分离，器件具有高整流比和高光开光比；凭借氮化镓和2D材料对紫外和可见光范围的吸收特性，可以实现紫外到可见光宽光谱范围的探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例提供的一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备流程示意图；
图2为本发明的实施例提供的混维异质结光电二极管的结构示意图；
图3为本发明的实施例提供的混维异质结光电二极管光电测试I-V曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法，包括：
步骤一、在单晶衬底上外延生长轻掺n型氮化镓外延层，双面抛光后清洗，吹干；
本发明实施例还包括：对包含轻掺n型氮化镓外延层的衬底进行清洗，包括：在乙醇中超声清至少10min，其超声频率为50～70KHz；在丙酮中超声清洗至少10min，其超声频率为50～70KHz；在异丙醇中超声清洗至少10min，其超声频率为50～70KHz；在去离子水烧杯中冲洗多次，流水冲洗；用氮气对其进行吹干。
具体地，单晶衬底为重掺n型自支撑氮化镓单晶衬底，厚度为200-300μm。优选地，选用双面抛光的n型重掺的自支撑氮化镓衬底，厚度约为200μm～300μm，优选200μm。
进一步地，在沉积轻掺n型氮化镓外延层时采用MOCVD或HVPE的方式外延生长，载流子浓度为5～8x1015cm-3，厚度约为10～15μm，优选12μm。
步骤二、采用三温区管式炉在器件表面沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2，旋涂光刻胶，进行掩膜曝光图案，显影去胶后暴露图案部分的二维材料，将暴露的二维材料进行刻蚀暴露出紫外吸收层并形成台阶；
采用三温区管式炉沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2时的条件为：使用前驱体为硫粉和ReO3,+0.003gMoO3，分别放置在第一、三温区，其中，第一温区最高温度为200-235℃，第三温区最高温度为650-850℃，通入氩气流量为100-120sccm。p型二维材料层MoxRe1-xS2的厚度约为1-2nm，优选2nm。p型二维材料还可以为：Nb、Ta掺杂的MoS2、Nb、Ta、W掺杂的ReS2、V掺杂的WSe2、多层WSe2、ReSe2或Sb掺杂的ln2Se3。
步骤三、在单晶衬底的底部蒸镀金属膜，形成电极后退火，形成底部电极；
步骤四、在器件顶部表面旋涂光刻胶进行紫外掩膜曝光图案，显影去胶，暴露出顶部方形电极图案，在表面蒸镀金属膜，掀金去胶后形成顶部电极。
具体地，底部电极使用的金属材料为Ti/Al/Ni/Au。顶部电极使用的金属材料为Cr/Au、Ti/Al或Ti/Ni。
本发明提出了一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法，2D/3D PN异质界面降低了反向漏电，垂直结构有效地减小了因表面效应和缺陷产生的光生载流子复合，拥有更低的暗电流；通过化学气相沉积掺杂的方式得到的弱p型二维材料，与轻掺n型氮化镓外延层形成结区，形成内建电场，Ⅱ型能带的交错排布促进了光生载流子分离，使得器件具有高整流比和高光开光比；凭借宽禁带半导体氮化镓和2D材料对紫外和可见光范围的吸收特性，可以实现紫外到可见光宽光谱范围的探测。
本发明的一个实施例，如图1所示，具体步骤如下所示：
1、准备一片重掺n型自支撑氮化镓单晶衬底，采用MOCVD或HVPE的方式在衬底上外延10～12μm轻掺n型氮化镓外延层。双面抛光后，对具有轻掺n型氮化镓外延层的衬底进行清洗，即，在乙醇中超声清10min，其超声频率为50～70KHz；在丙酮中超声清洗10min，其超声频率为50～70KHz；在异丙醇中超声清洗10min，其超声频率为50～70KHz；在去离子水烧杯中冲洗数遍，流水冲洗；用氮气对其进行吹干。
2、沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2，采用三温区管式炉，前驱体为0.75g硫粉和0.12gReO3+0.003gMoO3，分别放置在第一、三温区，第一温区最高温度为235℃，第三温区最高温度为750℃，通入氩气流量为110sccm。
3、旋涂光刻胶，进行掩膜曝光图案，显影去胶，暴露出图案部分二维材料。
4、用Cl2/SiCl4进行干法刻蚀，将暴露出的二维材料层刻蚀掉，以暴露出GaN紫外吸收层并形成台阶，通过原子力显微镜测量刻蚀深度。
5、制备底部电极：采用热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜(如Ti(25nm)/Al(75nm)/Ni(25nm)/Au(75nm))，形成电极后在750℃、N2环境下退火。
6、旋涂光刻胶，进行紫外掩膜曝光图案，显影去胶，暴露出顶部方形电极图案。
7、制备顶部电极：采用热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜Cr(5nm)/Au(50nm)，掀金去胶，形成顶部电极。
本发明提出了一种基于氮化镓单晶衬底的混维异质结垂直光电二极管，如图2所示，包括氮化镓单晶衬底1、轻掺n型GaN外延层2、p型二维材料3，顶部电极4/5/6/7，底部电极8：其中，顶部电极4和5置于p型二维材料层3之上，顶部电极6和7置于轻掺n型GaN外延层2之上。
如图3所示，为制备得到的混维异质结光电二极管相关光电性能测试I-V曲线。特别地，在365nm波长紫外光照射下，垂直2D/3D混维异质结光电二极管显示出超过107的高整流比、约106的高光开关比以及超过1014Jones的归一化探测率，优于其他同类器件。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氮化镓单晶衬底的混维异质结光电二极管的制备方法，包括：
在氮化镓单晶衬底上外延生长轻掺n型氮化镓外延层，双面抛光后清洗，吹干；
采用三温区管式炉在器件表面沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2，旋涂光刻胶，进行掩膜曝光图案，显影去胶后暴露图案部分的二维材料，将暴露的二维材料进行刻蚀暴露出紫外吸收层并形成台阶；
在单晶衬底的底部蒸镀金属膜，形成电极后退火，形成底部电极；
在器件顶部表面旋涂光刻胶进行紫外掩膜曝光图案，显影去胶，暴露出顶部方形电极图案，在表面蒸镀金属膜，掀金去胶后形成顶部电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对包含轻掺n型氮化镓外延层的衬底进行清洗，包括：
在乙醇中超声清至少10min，其超声频率为50～70KHz；
在丙酮中超声清洗至少10min，其超声频率为50～70KHz；
在异丙醇中超声清洗至少10min，其超声频率为50～70KHz；
在去离子水烧杯中冲洗多次，流水冲洗；
用氮气对其进行吹干。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用三温区管式炉沉积p型二维材料层MoxRe1-xS2时的条件为：
使用前驱体为0.75g硫粉和0.012gReO3+0.003gMoO3，分别放置在第一、三温区，其中，第一温区最高温度为200-235℃，第三温区最高温度为650-850℃，通入氩气流量为100-120sccm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，单晶衬底的厚度为200-300μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在沉积轻掺n型氮化镓外延层时采用MOCVD或HVPE的方式外延生长，载流子浓度为5～8x1015cm-3，厚度约为10～15μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，p型二维材料层MoxRe1-xS2的厚度约为1-2nm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，底部电极使用的金属材料为Ti/Al/Ni/Au。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，顶部电极使用的金属材料为Cr/Au、Ti/Al或Ti/Ni。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，p型二维材料为：Nb、Ta掺杂的MoS2、Nb、Ta、W掺杂的ReS2、V掺杂的WSe2、多层WSe2、ReSe2或Sb掺杂的ln2Se3。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氮化镓单晶衬底为重掺n型自支撑氮化镓单晶衬底。
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